empiv.lab
.2.pdfФедеральное агентство связи
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики
Кафедра электродинамики и антенн
МЕТОДИЧЕСКАЯ РАЗРАБОТКА к лабораторному практикуму по курсу
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ПОЛЯ И ВОЛНЫ
Часть II
Авторы-составители:
к.т.н., доцент Маслов М.Ю. ассистент Скачков Д.В.
Самара, 2011
УДК 538.3
Маслов Михаил Юрьевич, Скачков Дмитрий Владимирович.
Методическая разработка к лабораторному практикуму по курсу «Электромагнитные поля и волны». Часть II. Самара, 2011.
20 стр. с иллюстрациями.
В методической разработке содержатся указания к выполнению лабораторных работ по изучению методов и средств измерения на СВЧ, исследованию проходного объемного резонатора, направленного ответвителя и излучателя электромагнитных волн. Лабораторные работы выполняются на лабораторных стендах.
Рецензент – кафедра «Электродинамики и Антенн» Поволжского государственного университета телекоммуникаций и информатики
Иллюстрации – асс. Скачков Д.В.
|
СОДЕРЖАНИЕ |
|
|
|
Введение.............................................................................................................. |
|
|
|
4 |
Лабораторная работа №1. Методы и средства измерения на СВЧ. |
.............. 5 |
|||
Лабораторная работа №2. |
Исследование |
проходного |
объемного |
|
резонатора.................................................................................................... |
|
|
|
7 |
Лабораторная работа №3. |
Исследование |
волноводного |
направленного |
|
ответвителя................................................................................................ |
|
|
|
10 |
Лабораторная работа №4. |
Исследование излучателя электромагнитных |
|||
волн............................................................................................................. |
|
|
|
12 |
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 ............................................................................................. |
|
|
|
14 |
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 ............................................................................................. |
|
|
|
15 |
ПРИЛОЖЕНИЕ 3 ............................................................................................. |
|
|
|
18 |
ПРИЛОЖЕНИЕ 4 ............................................................................................. |
|
|
|
19 |
3
ВВЕДЕНИЕ
Вметодической разработке содержатся указания к выполнению лабораторных работ по изучению методов и средств измерения на СВЧ, исследованию проходного объемного резонатора, направленного ответвителя и излучателя электромагнитных волн. Лабораторные работы выполняются на лабораторных стендах.
Перечень лабораторных работ, порядок их выполнения и объем отводимого времени устанавливается графиком лабораторного практикума, составляемым отдельно для каждой специальности.
Вметодической разработке использованы материалы сборника методических разработок по электродинамическим дисциплинам, изданных в 1987 и 1997 годах коллективом авторов в составе: проф. Витевский В.Б., проф. Кубанов В.П., проф. Маслов О.Н., проф. Павловская Э.А.
4
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1. «МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЯ НА СВЧ»
1.1. Цель работы
Изучение методов и средств измерения на СВЧ, а также приобретение навыков в настройке приборов и проведении измерений на сверхвысоких частотах.
1.2.Литература
1.Пименов Ю.В., Вольман В.И., Муравцов А.Д. «Техническая электродинамика» – М.: «Радио и связь», 2000. – 536 с.
2.Семенов Н.А., «Техническая электродинамика» – М.: «Связь», 1973. –
480 с.
1.3. Оборудование
СВЧ генератор Г4-83, измерительная волноводная линия Р1-4 или Р1-28, измерительный усилитель низкочастотный У4-28.
1.4.Порядок выполнения работы
1.Внимательно изучите методику работы с приборами, используемыми в лабораторной работе (Приложение 2).
2.Изучите методику измерения КСВ и КБВ (Приложение 3) а также ознакомьтесь с основными условными обозначениями, используемыми в структурных схемах лабораторных установок (Приложение 1).
3.Измерьте КСВ и КБВ для трех видов нагрузок: короткого замыкания, согласованной (поглощающей) нагрузки, произвольной нагрузки. Полученные результаты сведите в таблицу 1.1.
|
|
|
|
Таблица 1.1. |
Тип нагрузки |
αmax |
αmin |
КСВ |
КБВ |
1.
2.
3.
4.Изучите методику измерения вносимого ослабления в случае малых и больших величин ослабления (Приложение 4)
5.Измерьте ослабление для трех устройств (выдаются преподавателем). Полученные результаты сведите в таблицу 1.2.
|
|
|
|
|
Таблица 1.2. |
|
Устройство |
Малое ослабление |
Большое ослабление |
|
A, дБ |
||
α0, дел |
α1, дел |
A0, дБ |
A1, дБ |
|
||
|
|
|
||||
1. |
|
|
|
|
|
|
2. |
|
|
|
|
|
|
3. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
5 |
|
1.5.Содержание отчета
1.Название и цель работы.
2.Таблицы результатов экспериментов.
3.Структурные схемы лабораторных установок, используемые в лабораторной работе.
4.Используемые формулы и расчеты.
5.Выводы по проделанной работе.
1.6.Контрольные вопросы
1.Какими основными параметрами характеризуют генератор сигналов, измерительную волноводную линию и измерительный усилитель?
2.Какие методы измерения ослаблений применяются в данной лабораторной работе? Кратко охарактеризуйте каждый из них.
3.С помощью каких схем измеряют малое и большое ослабление?
4.С помощью каких схем измеряют КСВ и КБВ устройства?
5.Как определить ослабление в дБ при известной велечине ослабления в относительных единицах и наоборот?
6.Изобразите график распределения амплитуд напряженности электрического поля в режиме бегущей волны.
7.Изобразите график распределения амплитуд напряженности электрического поля в режиме стоячей волны.
8.Изобразите график распределения амплитуд напряженности электрического поля в режиме короткого замыкания на конце линии.
6
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №2. «ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОХОДНОГО ОБЪЕМНОГО РЕЗОНАТОРА»
2.1. Цель работы
Исследование резонансных свойств проходного объемного резонатора и изучение методики измерения нагруженной добротности.
2.2.Литература
1.Пименов Ю.В., Вольман В.И., Муравцов А.Д. «Техническая электродинамика» – М.: «Радио и связь», 2000. – 536 с.
2.Лебедев И.В. «Техника и приборы СВЧ», T.1 - М.: «Высшая шко-
ла», 1970 г. – 439 с.
2.3. Оборудование
СВЧ генератор Г4-83, измерительная волноводная линия Р1-4 или Р1-28, измерительный усилитель низкочастотный У4-28.
2.4.Порядок выполнения работы
1.Соберите установку для измерения КСВ (Приложение 3), в качестве исследуемого устройства используйте резонатор.
2.Установить на генераторе расчетную резонансную частоту f0 (указана на резонаторе). Измерить КСВ на этой частоте. Если измеренный КСВ > 1,15, произведите уточнение резонансной частоты. Для этого незначительно изменяя частоту генератора, найдите такое ее значение, при котором КСВ < 1,15.
3.Определите оптимальный частотный шаг. Выберите начальный шаг
f = 20 МГц и произведите измерение КСВ на частоте f0+ |
f. Если вели- |
чина КСВ изменилась более чем на 0,2, уменьшите шаг f |
в 2 раза и по- |
вторите измерение КСВ на частоте f0+ f.
4. Снимите частотную зависимость КСВ резонатора в окрестностях резонансной частоты. Заполните таблицу 2.1. Крайние измерения должны соответствовать частотам, при которых КСВ > 6.
|
|
|
|
Таблица 2.1. |
№ |
f, МГц |
αmax |
αmin |
КСВ |
|
… |
|
|
|
f0-n f
f0
f0+ n f
…
7
5. По данным таблицы постройте график зависимости КСВ от частоты и определите ширину резонансной кривой 2 f0,5. Для этого проведите горизонталь на уровне КСВ = 5,82 и опустите перпендикуляры на ось частоты из пересечения с резонансной кривой (рис.2.1.). Разность частот f1 и f2 даст искомую величину 2 f0,5.
Рис.2.1. График зависимости КСВ от частоты.
6. Рассчитайте экспериментально полученную нагруженную добротность резонатора.
Примечание: методика экспериментального определения нагруженной добротности проходного резонатора описана в [1], § 11.3 – « Проходной резонатор».
7. Рассчитайте нагруженную добротность резонатора аналитически, воспользовавшись следующими формулами:
|
|
|
|
Qн |
= |
|
|
|
|
|
Г |
|
|
|
|
× |
|
|
πp |
|
|
|
|
; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
1 - ( |
λ0 |
)2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 - |
Г |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2a |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
Г |
|
= |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
1 + |
(Λ0 ) |
× (k −1)2 |
|
× A |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
a |
|
2 |
|
|
4 |
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
2(k + 1)πr |
|
|
|
1,9(k + 1)r |
|
|
1 + 2( |
a |
)2 |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
λ0 |
|
|
||||||||||||||||||||||||||||
A = ln |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
; |
|||||
|
|
|
|
a |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
a |
|
|
|
4(k + 1) |
2 |
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
λ0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
L0 = |
|
|
|
|
|
|
|
|
; λ0 |
= |
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
; |
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
1 - ( |
λ0 |
|
)2 |
|
|
|
|
(m )2 |
+ ( |
n |
)2 |
+ ( |
p |
)2 |
|
||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||
|
|
2a |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
a |
|
|
|
|
b |
|
|
l |
|
|
|
|
||||||||||
8
2.5.Содержание отчета
1.Название и цель работы.
2.Краткое описание и схема эксперимента.
3.Таблица результатов эксперимента.
4.График зависимости КСВ от частоты
5.Расчеты нагруженных добротностей резонатора.
6.Выводы по проделанной работе.
2.6.Контрольные вопросы
1.Понятие объемного резонатора. Общие свойства резонаторов.
2.Понятие проходного резонатора.
3.Условия существования колебаний в проходном прямоугольном резонаторе.
4.Собственные колебания объемного резонатора и их связь с собственными волнами линии передачи. Типы колебаний. Основной тип колебаний.
5.Потери в резонаторе. Виды потерь и добротность резонатора
6.Проходной прямоугольный резонатор. Типы собственных колебаний, собственные частоты прямоугольного резонатора. Вырожденные колебания.
7.Классификация типов колебаний проходного прямоугольного резонатора. Основной тип колебаний.
8.Нагруженная добротность резонатора и метод ее экспериментального определения.
9
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №3 «ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЛНОВОДНОГО НАПРАВЛЕННОГО ОТВЕТВИТЕЛЯ»
3.1. Цель работы
Исследование основные параметры направленного ответвителя: переходного ослабления, степени согласования.
3.2.Литература
1.Пименов Ю.В., Вольман В.И., Муравцов А.Д. «Техническая электродинамика» – М.: «Радио и связь», 2000. – 536 с.
2.Лебедев И.В. «Техника и приборы СВЧ», T.1 - М.: «Высшая шко-
ла», 1970 г. – 439 с.
3.3. Оборудование
СВЧ генератор Г4-83, измерительная волноводная линия Р1-4 или Р1-28, измерительный усилитель низкочастотный У4-28.
3.4.Порядок выполнения работы
1.Собрать установку для измерения ослабления между 1 и 3 плечами волноводного ответвителя, закрыв 4 плечо согласованной нагрузкой.
2.Измерить ослабление между 1 и 3 плечами волноводного ответви-
теля.
3.Собрать установку для измерения ослабления между 1 и 4 плечами волноводного ответвителя, закрыв 3 плечо согласованной нагрузкой.
4.Измерить ослабление между 1 и 4 плечами волноводного ответви-
теля.
5.Измерить КСВ и КБВ направленного волноводного ответвителя со стороны плеча 1, 3 и 4.
Примечание: Рекомендованное графическое обозначение волноводного направленного ответвителя представлено на рис.3.1. Схемы экспериментов должны содержать это изображение в качестве исследуемого устройства.
Рис.3.1. Рекомендуемое условное графическое обозначение волноводного направленного ответвителя.
10